История разработки одного дозиметра (Часть 1)

Всем привет. Месяца два назад, от нечего делать, решил достать из своего пыльного ящика пару уже давно заброшенных проектов, до которых никак не доходили руки, и один из них был проект дозиметра-радиометра, который я начинал делать года так 3 назад, но из за недостатка знаний так и не довёл его до рабочего варианта. И вот теперь, спустя два долгих и мучительных месяца, хочу рассказать вам с чем я за это время успел столкнуться, и как делать не надо.

С чего всё начиналось


Собирались мы как-то с братом и его другом вместе в Припять съездить нелегалом, это была ещё давняя мечта, которая ждала своей реализации, но так и не дождалась (Но об этом позже). Когда мы уже подготовили практически всё что нужно, оказалось что ни у кого не было хотя бы простенького индикатора радиации. Посмотрев на площадке объявлений я мало чего нашёл, всё было в основном либо очень далеко, либо очень дорого, так и пришла идея попробовать сделать свой из того что было под рукой, а всё что у меня было, это ардуинка, счётчик (СТС-5) и много всякой рассыпухи. Так, как всё нужно было сделать в течении месяца, я стал искать уже готовые проекты, чтобы не изобретать велосипед, и нашёл максимально простенький проект на радиолюбительском сайте. Главной проблемой была намотка трансформатора, собственно из за чего я и забросил это дело. В Припять мы так и не поехали, потому что обострилась политическая обстановка.

Возобновляя старый проект


С момента первой попытки прошло уже 3 года, я набрался новых знаний, как в электротехнике, так и в программировании. Мне не терпелось уже применить свои знания и наконец закончить когда то начатое дело, чем я и решил заняться во время самоизоляции. Начать я решил с самого простого, заказал с Китая повышающий модуль, ардуинку и порыскал в закромах в надежде найти нужные детали для эмиттерного повторителя (Для снятия импульсов). Первая прошивка просто считала импульсы с ножки прерывания и я был вполне доволен даже таким не значительным результатом, и это дало мне огромный толчок в дальнейшем улучшении проекта.

Начало разработки


Изначально меня устраивало, то что повышающий преобразователь будет отдельной частью устройства, но в итоге прибор получился бы огромным, что мне не очень понравилось. Я начал перебирать варианты повышающей цепи, и остановился на DC-DC с управлением, и обратной связью с микроконтроллером. По сути в этом не было ничего сложного, но именно после добавления своего преобразователя и начались проблемы.

Хьюстон, у нас помехи


Как понятно из заголовка, появились ужасные помехи по питанию и не только. Когда напряжение приближалось к 400 вольтам, на ножке прерывания начиналась полная вакханалия. Прерывание постоянно срабатывало, и я просто не мог понять долгое время в чём была эта проблема. Изменение частоты шим не помогало, конденсаторы по питанию тоже. Я уже начал отчаиваться, но решение пришло внезапно, когда я поднёс палец к ножке прерывания. Прибор сразу стал функционировать нормально, до того момента, пока я не уберу палец. И тут я вспомнил завет давнего приятеля: «Везде ставь керамику». После того как я поставил керамический конденсатор на 100нФ между прерыванием и землёй, проблема ушла. На то, чтобы разобраться с этой проблемой у меня ушла куча времени, но этот урок я запомню на долго. Собственно керамические конденсаторы в итоге я поставил везде, где только можно, и всё заработало как надо.

Разработка платы


Плату я разрабатывал в редакторе EasyEda, потому-что сразу решил заказывать платы с Китая. Скажу честно, редактор удобный и интуитивно понятный. Для меня, человека, который всегда делал платы в SprintLayout, эта программа была просто чем-то за гранью фантастики.
Теперь к сути. Я хотел сделать прибор как можно меньше, и выбрал размер 50х100 мм, что в каком то плане многовато и можно было уместить на меньшем размере. Первые варианты я решил делать на семи-сегментных индикаторах, что было огромной ошибкой, так, как они были крайне не информативные, и было достаточно сложно отобразить на них то, что хотел я. Следующим в моём списке был дисплей от nokia 5110. Этот вариант меня более чем удовлетворил.

Главные его плюсы это:

  1. Не требует подсветки днём.
  2. Низкое энергопотребление.
  3. Простота в использовании.

Но собственно были и проблемы. Дисплей требует 3.3 вольта питания, и желательно 3.3 вольта логику, а микроконтроллер работает от 5 вольт. Проблема решилась 10 кОм резисторами и линейным стабилизатором.

Ядром устройства является микроконтроллер atmega328p-mu. Я выбрал именно, потому-что судя по даташиту он более живучий.

Устройство является автономным и работает от аккумулятора li-ion, по-этому на плате была разведена микросхема tp4056 и маломощный повышающий dc-dc преобразователь на 5 вольт на микросхеме me2108a50.

В итоге плата приняла следующий вид:

image

Зачем оно нужно если можно купить?


Прибор разрабатывался как универсальный, чтобы можно было в любой момент поменять датчик, и провести под него точную настройку.

Программно были вынесены следующие характеристики для редактирования:

  1. Напряжение счётчика
  2. Время счёта
  3. Ошибка

Настройки этих характеристик позволяют подключить любой датчик, напряжение работы которого не больше 800 вольт (Для того, чтобы повысить напряжение требуются доработки), время счёта не более 100 секунд и ошибка меньше 50%.

Себестоимость прибора выходит 500 руб. если заказывать детали с Китая и около 1000 рублей, если закупать в местных радиодеталях. Конечно я не учёл стоимость счётной трубки, т.к. её цена на барахолках обычно не превышает 500 руб.

Если сравнивать с приборами, которые близки по характеристикам, то 1000 рублей получается довольно аппетитная цена для любителей по паять.

В собранном виде плата выглядит следующим образом:

image

Как видно по фото, плата ещё не собрана до конца, так как я не нашёл некоторые компоненты в моём городе и нужно ждать их с Китая.

Резюмируя


Разработка полноценного устройства довольно трудоёмкий процесс, который требует много знаний в низкоуровневом программировании, приборостроении и электротехнике. Очень обидно, когда вложенные труды в разработку оборачиваются в то, что устройство глючит и ведёт себя не так как на макете. Честно говоря, чёрная версия плат является четвёртой версией, до этого были и варианты с неудачным выбором схемы питания, неудачным дисплеем и с нехваткой конденсаторов. Эта статья предназначена для тех, кто хочет себе собрать подобный прибор, или же хочет сделать что то подобное. Демонстрация работы прибора будет в следующей части статьи.

Надеюсь я вам помог, и мой проект заинтересовал вас. Прилагаю ссылки на репозиторий с прошивкой и на проект печатной платы:

github.com/AdamFull/Dosimeter-SQUICK
easyeda.com/AdamFull/geigercounter_nokia
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 8

    +7

    Практически эталон "как не надо делать"… Начиная от заметания проблем под ковёр:
    "После того как я поставил керамический конденсатор на 100нФ между прерыванием и землёй, проблема ушла."
    Через оверинжиниринг с двумя питаниями и пренебрежение энергопотреблением критически важного автономного прибора (линейный стабилизатор и цепь контроля напряжения аккумулятора).
    К непонятным заявлениям о "… atmega328p-mu. Я выбрал именно, потому-что судя по даташиту он более живучий."
    Интересно также узнать, зачем понадобился ключ в эмиттерной цепи усилителя импульсов с трубки.


    Для начала — хватит.

      0
      Здравствуйте, по началу я сильно не задумывался о проблемах с питанием. Линейный стабилизатор не лучшее решение, согласен, но по стоимости выходит дешевле всего. Защита аккумулятора не разведена, потому-что изначально предполагалось, что аккумулятор уже будет с этой защитой. Ну и ставка на то, что программно будет ограничена возможность работать при напряжении ниже 3.5 вольт.
      Насчёт микроконтроллера, в даташите у него в основном температурные характеристики выше, если в подробности не вдаваться.
      Вот в эмиттерной цепи ключ не нужен, я не могу объяснить зачем я его туда вообще ставил.
      Весь это прибор это работа над ошибками, и постепенно я их исправляю.
      И вы написали «Начиная от заметания проблем под ковёр», о чём вы?
      +1
      Но собственно были и проблемы. Дисплей требует 3.3 вольта питания, и желательно 3.3 вольта логику, а микроконтроллер работает от 5 вольт. Проблема решилась 10 кОм резисторами и линейным стабилизатором.
      А запитать контроллер не от 5В, а от тех же 3.3В что помешало?
        0
        То, что при меньшем напряжении максимум 250 вольт получалось на преобразователе.
          +3
          Если Вы имеете ввиду то, что 3.3В на затворе маловато для открытия ключа на IRF840, то ему вообще-то и 5В маловато — в даташите характеристики открытого канала приводятся при 10В. То, что указано пороговое напряжение затвора 2...4В, так это напряжение лишь начала отпирания (для IRF840 приводится при токе стока 250мкА), а вовсе не то напряжение на затворе, которое достаточно для надежного полного отпирания.

          Если же Вы говорите о том, что 3.3В мало для работы собственно повышающего преобразователя, то его надо питать напрямую от аккумулятора, да и вообще построить по-другому, как уже написал VT100.
        +5

        Промахнулся. Это сюда.


        у него в основном температурные характеристики выше,

        Microchip (Atmel) уже более 15 лет не производит микроконтроллеры с рабочим диапазоном температур уже минус 40 — плюс 85 °С (последняя "U" в маркировке).


        И вы написали «Начиная от заметания проблем под ковёр», о чём вы?

        О том, что с помехами на входе импульсов в МК надо бороться не там, где они проявляются, а там — где возникают. "Рахитичные" дорожки у импульсных преобразователей, отчасти, могут и снижать помехи. Но скорее — наоборот, не позволяют как следует работать блокировочным конденсаторам и сами станут излучающими антеннами. Тем более, что C1 и C13 "согнаны" к выходу стабилизатора 5 В, вместо того, что-бы поместить один из них около преобразователя питания трубки. Да и вход его — тоже желательно "заблокировать" конденсатором. И уж точно — не тащить на несколько см петлю входной цепи (плюс акк. — выключатель — дроссель — стабилизатор — минусы C1 и C13 — минус акк.)
        Что касается преобразователя питания трубки — его вообще можно попробовать запитать напрямую от аккумулятора (что-бы хоть он замыкал его импульсные токи). А вообще — его схема мне совершенно не нравится. ЕМНИП, при такой кратности (400 из 5) повышения напряжения, КПД "простого boost" будет ниже плинтуса. Надо сделать либо умножитель напряжения на выходе (вместо одиночного HER106), либо — применить дроссель-трансформатор (обратноход/flyback). Тут есть опытные конструкторы дозиметров — наверное подскажут.
        Сейчас-же — МК не будет считать импульсы с промежутком между ними менее 1 мс (10кОм * 0.1 мкФ).


        Контроль напряжения аккумулятора R3-R5 — не отключается в текущей схеме. И много потребляет.


        P.S. И код следует серьёзно пролечить от родовых пятен Ардуины...

          0
          Хорошо, учту. Вообще преобразователь развёл именно такой, только потому-что легче купить дроссель на 1мГн, чем мотать трансформатор. Да и получается компактнее.
          В коде да, остались некоторые ардуиновские методы, буду потихоньку избавляться от них.
          На контроль заряда аккумулятора тогда поставлю ключ.
          Спасибо вам большое за советы, я буду постепенно улучшать как плату, так и прошивку. Первый раз чем то серьёзным занимаюсь.
            +4
            Тот случай когда интересней прочитать дельный коммент

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.